镁基热电材料的可控制备、电声输运及性能优化
发布时间：2022-12-08 05:49
镁基热电材料具有原料丰富、环保、价格低廉、密度低等显著优点,归属其中的N型Mg2XⅣ（XⅣ =Si,Ge,Sn）基材料和Mg3XⅣ2（XⅤ=Sb,Bi）基材料最优zT值均已超过1,同属于高性能的中温区热电材料。如何进一步降低Mg2XⅣ材料的晶格热导率以进一步提升其N型材料的热电优值,如何优化其P型材料的空穴浓度和能带结构以使其性能能与N型材料相匹配,是近年来有关Mg2XⅣ基材料的主要研究内容。而对于近年来新兴的Mg3Sb2基材料,深入理解其电、声传输机制则是发挥其性能潜力的必经之路。本文开展的主要研究工作和所获得的主要结论如下:1)系统研究了大剂量Sb取代Sn位的Mg2Sn1-xSbx体系的热电性能。通过多种微结构表征手段结合声子输运模型深入分析并揭示了 Sb合金化后带来的低晶格热导率的成因,并尝试通过调节Mg含量来优化该材料体系的性能。实验表明,Sb合金化的Mg2Sn中存在大量的纳米析出相和间隙团簇等缺陷。理论计算的晶格热导率在考虑这些额外缺陷散射项后,能与实验数值符合良好。得益于晶格热导率的大幅降低,Sb合金化Mg2Sn材料的zT值相比其掺杂成分实现了 50%的提高,在750 K达...
【文章页数】：152 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 热电效应简介
1.2 热电器件及转化效率
1.3 半导体热电输运理论
1.3.1 单抛带模型和弛豫时间近似
1.3.2 德拜近似下的声子输运模型
1.4 热电材料的发展现状与性能优化思路
1.4.1 发展现状简述
1.4.2 载流子浓度的优化
1.4.3 能带结构的调控
1.4.4 多尺度的声子散射
1.5 中温区高性能Mg基热电材料
1.5.1 Mg_2X~Ⅳ (X~Ⅳ=Si,Ge,Sn)基化合物热电材料
1.5.2 Zintl相Mg_3X~Ⅴ_2 (X~Ⅴ=Sb,Bi)基热电材料
1.6 选题依据和研究内容
第二章 实验方法
2.1 原料及设备
2.2 材料制备的工艺流程
2.2.1 钽管封装熔炼+热压烧结
2.2.2 MgH_2固相反应法
2.2.3 助溶剂法制备单晶
2.3 表征及测试方法
2.3.1 物相结构
2.3.2 微结构及成分
2.3.3 热学性能
2.3.4 电导率与Seebeck系数
2.3.5 霍尔系数
2.3.6 声速
第三章 Sb合金化Mg_2Sn的电声输运性质及微结构实质
3.1 Sb合金化Mg_2Sn材料的微结构和热电性能
3.1.1 制备工艺及成分、结构表征
3.1.2 热性能分析
3.1.3 透射电镜微结构表征
3.1.4 热导率建模分析
3.1.5 电性能分析和热电优值
3.2 Sb在Mg_2Sn中的固溶极限探索及退火对其热电性能的影响
3.2.1 工艺及表征
3.2.2 热电性能
3.3 Mg含量调控对Mg_2Sn_(1-x)Sb_x材料热电性能的影响
3.3.1 工艺及表征
3.3.2 热电性能
3.4 本章小结
第四章 N型Mg_2(Si,Sn)材料的低温固相反应法制备和热电性能
4.1 MgH_2低温固相反应法制备Mg_2X~Ⅳ及其固溶体
4.2 Mg_2(Si,Sn)固溶体成分均匀程度对热电性能的影响
4.3 Mg过量程度对Mg_2(Si_(0.35)Sn_(0.65))_(0.985)Sb_(0.015)材料热电性能的优化
4.4 本章小结
第五章 P型Mg_2(Ge, Sn)基热电材料的性能优化
5.1 NaBH_4掺杂的Mg_2Ge_(1-y)Sn_y热电材料
5.1.1 工艺及表征
5.1.2 掺剂及锗的含量对P型Mg_2Sn基材料热电性能的影响
5.2 镁过量程度对Mg_2Ge_(0.4)Sn_(0.6)·0.02NaBH_4热电性能的影响
5.2.1 工艺及表征
5.2.2 热电性能
5.3 LiBH_4及LiH掺杂的Mg_2Ge_(0.4)Sn_(0.6)热电材料
5.3.1 两种掺剂的效果对比
5.3.2 LiH掺杂Mg_2Ge_(0.4)Sn_(0.6)的热电输运特性
5.4 本章小结
第六章 Mg_3X~Ⅴ_2 (X~Ⅴ= Sb,Bi)单晶的制备及输运性能
6.1 单晶的制备与表征
6.2 电输运性质
6.2.1 电导率的各向异性
6.2.2 其它电输运性质
6.3 热性能和建模分析
6.3.1 热容模型
6.3.2 晶格热导率的分析
6.4 本章小结
第七章 结论与展望
参考文献
致谢
个人简历
攻读学位期间发表的学术论文
【参考文献】：
期刊论文
[1]管式反应法制备Mg2Sn基热电材料及其性能研究[J]. 焦媛媛,樊文浩,陈少平,鲍亮亮,孟庆森. 稀有金属材料与工程. 2015(02)
博士论文
[1]Mg2（Si,Sn）合金的固溶限、点缺陷和热电性能[D]. 姜广宇.浙江大学 2014
本文编号：3713678
【文章页数】：152 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 热电效应简介
1.2 热电器件及转化效率
1.3 半导体热电输运理论
1.3.1 单抛带模型和弛豫时间近似
1.3.2 德拜近似下的声子输运模型
1.4 热电材料的发展现状与性能优化思路
1.4.1 发展现状简述
1.4.2 载流子浓度的优化
1.4.3 能带结构的调控
1.4.4 多尺度的声子散射
1.5 中温区高性能Mg基热电材料
1.5.1 Mg_2X~Ⅳ (X~Ⅳ=Si,Ge,Sn)基化合物热电材料
1.5.2 Zintl相Mg_3X~Ⅴ_2 (X~Ⅴ=Sb,Bi)基热电材料
1.6 选题依据和研究内容
第二章 实验方法
2.1 原料及设备
2.2 材料制备的工艺流程
2.2.1 钽管封装熔炼+热压烧结
2.2.2 MgH_2固相反应法
2.2.3 助溶剂法制备单晶
2.3 表征及测试方法
2.3.1 物相结构
2.3.2 微结构及成分
2.3.3 热学性能
2.3.4 电导率与Seebeck系数
2.3.5 霍尔系数
2.3.6 声速
第三章 Sb合金化Mg_2Sn的电声输运性质及微结构实质
3.1 Sb合金化Mg_2Sn材料的微结构和热电性能
3.1.1 制备工艺及成分、结构表征
3.1.2 热性能分析
3.1.3 透射电镜微结构表征
3.1.4 热导率建模分析
3.1.5 电性能分析和热电优值
3.2 Sb在Mg_2Sn中的固溶极限探索及退火对其热电性能的影响
3.2.1 工艺及表征
3.2.2 热电性能
3.3 Mg含量调控对Mg_2Sn_(1-x)Sb_x材料热电性能的影响
3.3.1 工艺及表征
3.3.2 热电性能
3.4 本章小结
第四章 N型Mg_2(Si,Sn)材料的低温固相反应法制备和热电性能
4.1 MgH_2低温固相反应法制备Mg_2X~Ⅳ及其固溶体
4.2 Mg_2(Si,Sn)固溶体成分均匀程度对热电性能的影响
4.3 Mg过量程度对Mg_2(Si_(0.35)Sn_(0.65))_(0.985)Sb_(0.015)材料热电性能的优化
4.4 本章小结
第五章 P型Mg_2(Ge, Sn)基热电材料的性能优化
5.1 NaBH_4掺杂的Mg_2Ge_(1-y)Sn_y热电材料
5.1.1 工艺及表征
5.1.2 掺剂及锗的含量对P型Mg_2Sn基材料热电性能的影响
5.2 镁过量程度对Mg_2Ge_(0.4)Sn_(0.6)·0.02NaBH_4热电性能的影响
5.2.1 工艺及表征
5.2.2 热电性能
5.3 LiBH_4及LiH掺杂的Mg_2Ge_(0.4)Sn_(0.6)热电材料
5.3.1 两种掺剂的效果对比
5.3.2 LiH掺杂Mg_2Ge_(0.4)Sn_(0.6)的热电输运特性
5.4 本章小结
第六章 Mg_3X~Ⅴ_2 (X~Ⅴ= Sb,Bi)单晶的制备及输运性能
6.1 单晶的制备与表征
6.2 电输运性质
6.2.1 电导率的各向异性
6.2.2 其它电输运性质
6.3 热性能和建模分析
6.3.1 热容模型
6.3.2 晶格热导率的分析
6.4 本章小结
第七章 结论与展望
参考文献
致谢
个人简历
攻读学位期间发表的学术论文
【参考文献】：
期刊论文
[1]管式反应法制备Mg2Sn基热电材料及其性能研究[J]. 焦媛媛,樊文浩,陈少平,鲍亮亮,孟庆森. 稀有金属材料与工程. 2015(02)
博士论文
[1]Mg2（Si,Sn）合金的固溶限、点缺陷和热电性能[D]. 姜广宇.浙江大学 2014
本文编号：3713678
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/cailiaohuaxuelunwen/3713678.html
